Principio di funzionamento della cella solare o fotovoltaica
La conversion dell'energia luminosa in energia elettrica si basa su un fenomeno chiamato effetto fotoelettrico. Quando i materiali semiconduttori sono esposti alla luce, alcuni dei fotoni del raggio luminoso vengono assorbiti dal cristallo semiconduttore, causando un numero significativo di elettroni liberi nel cristallo. Questo è il motivo fondamentale per la produzione di elettricità dovuta all'effetto fotoelettrico. La cella fotoelettrica è l'unità di base del sistema in cui l'effetto fotoelettrico viene utilizzato per produrre elettricità dall'energia luminosa. Il silicio è il materiale semiconduttore più ampiamente utilizzato per costruire la cella fotoelettrica. L'atomo di silicio ha quattro elettroni di valenza. In un cristallo solido, ogni atomo di silicio condivide ciascuno dei suoi quattro elettroni di valenza con un altro atomo di silicio più vicino, creando legami covalenti tra di loro. In questo modo, il cristallo di silicio assume una struttura reticolare tetraedrica. Quando un raggio luminoso colpisce un materiale, una parte della luce viene riflessa, una parte viene trasmessa attraverso il materiale e il resto viene assorbito dal materiale.
Lo stesso accade quando la luce cade su un cristallo di silicio. Se l'intensità della luce incidente è sufficientemente alta, un numero sufficiente di fotoni viene assorbito dal cristallo e questi fotoni, a loro volta, eccitano alcuni degli elettroni dei legami covalenti. Questi elettroni eccitati acquisiscono quindi sufficiente energia per migrare dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Poiché il livello energetico di questi elettroni si trova nella banda di conduzione, essi lasciano il legame covalente lasciando un buco nel legame dietro ogni elettrone rimosso. Questi sono chiamati elettroni liberi che si muovono in modo casuale all'interno della struttura cristallina del silicio. Questi elettroni liberi e buchi svolgono un ruolo vitale nella creazione di elettricità in una cella fotoelettrica. Questi elettroni e buchi sono quindi chiamati rispettivamente elettroni e buchi generati dalla luce. Questi elettroni e buchi generati dalla luce non possono produrre elettricità nel cristallo di silicio da soli. Dovrebbe esserci qualche meccanismo aggiuntivo per farlo.
Quando un impurità pentavalente come il fosforo viene aggiunto al silicio, i quattro elettroni di valenza di ciascun atomo di fosforo pentavalente vengono condivisi attraverso legami covalenti con quattro atomi di silicio vicini, mentre il quinto elettrone di valenza non ha la possibilità di creare un legame covalente.
Questo quinto elettrone è quindi relativamente legato in modo debole con l'atomo genitore. Anche a temperatura ambiente, l'energia termica disponibile nel cristallo è sufficiente per dissociare questi elettroni relativamente liberi dal loro atomo di fosforo genitore. Mentre questo quinto elettrone relativamente libero si separa dall'atomo di fosforo genitore, l'atomo di fosforo diventa ioni positivi immobili. L'elettrone dissociato diventa libero ma non ha alcun legame covalente incompleto o buco nel cristallo per essere riassociato. Questi elettroni liberi provenienti dall'impurità pentavalente sono sempre pronti a condurre corrente nel semiconduttore. Anche se ci sono numerose elettroni liberi, il materiale rimane elettricamente neutro poiché il numero di ioni positivi di fosforo bloccati all'interno della struttura cristallina è esattamente uguale al numero di elettroni liberi che ne derivano. Il processo di inserimento di impurità nel semiconduttore è noto come doping, e le impurità introdotte sono note come dopanti. I dopanti pentavalenti che donano il loro quinto elettrone libero al cristallo semiconduttore sono noti come donatori. I semiconduttori dopati con impurità donatrici sono noti come semiconduttori di tipo n o negativo, poiché contengono numerosi elettroni liberi che sono carichi negativamente per natura.
Quando invece di atomi di fosforo pentavalenti, si aggiungono atomi di impurità trivalenti come il boro a un cristallo semiconduttore, si crea un tipo opposto di semiconduttore. In questo caso, alcuni atomi di silicio nella struttura reticolare saranno sostituiti da atomi di boro, in altre parole, gli atomi di boro occuperanno le posizioni degli atomi di silicio sostituiti nella struttura reticolare. Tre elettroni di valenza dell'atomo di boro si paieranno con gli elettroni di valenza di tre atomi di silicio vicini per creare tre legami covalenti completi. Per questa configurazione, ci sarà un atomo di silicio per ogni atomo di boro, il quarto elettrone di valenza del quale non troverà elettroni di valenza vicini per completare il suo quarto legame covalente. Pertanto, questo quarto elettrone di valenza di questi atomi di silicio rimane non appaiato e si comporta come un legame incompleto. Quindi, vi sarà una mancanza di un elettrone nel legame incompleto, e dunque un legame incompleto attira sempre elettroni per colmare questa mancanza. Così, c'è un vuoto per l'elettrone da occupare.
Questo vuoto è concettualmente chiamato buco positivo. In un semiconduttore dopato con impurità trivalenti, un numero significativo di legami covalenti viene continuamente interrotto per completare altri legami covalenti incompleti. Quando un legame si rompe, viene creato un buco in esso. Quando un legame è completato, il buco in esso scompare. In questo modo, un buco appare per scomparire in un altro buco vicino. Di conseguenza, i buchi hanno un movimento relativo all'interno del cristallo semiconduttore. In vista di ciò, si può dire che anche i buchi possono muoversi liberamente come elettroni liberi all'interno del cristallo semiconduttore. Poiché ciascuno dei buchi può accettare un elettrone, le impurità trivalenti sono note come dopanti accettori e i semiconduttori dopati con dopanti accettori sono noti come semiconduttori di tipo p o positivo.
Nel semiconduttore di tipo n, principalmente gli elettroni liberi trasportano carica negativa e nel semiconduttore di tipo p, principalmente i buchi trasportano carica positiva, pertanto gli elettroni liberi nel semiconduttore di tipo n e i buchi liberi nel semiconduttore di tipo p sono chiamati portatori maggioritari nel semiconduttore di tipo n e di tipo p rispettivamente.
C'è sempre una barriera di potenziale tra il materiale di tipo n e il materiale di tipo p. Questa barriera di potenziale è essenziale per il funzionamento di una cella fotoelettrica o solare. Quando un semiconduttore di tipo n e un semiconduttore di tipo p entrano in contatto, gli elettroni liberi vicini alla superficie di contatto del semiconduttore di tipo n trovano numerosi buchi adiacenti del materiale di tipo p. Pertanto, gli elettroni liberi nel semiconduttore di tipo n vicini alla sua superficie di contatto saltano nei buchi adiacenti del materiale di tipo p per ricombinarsi. Non solo gli elettroni liberi, ma anche gli elettroni di valenza del materiale di tipo n vicino alla superficie di contatto escono dai legami covalenti e si ricombinano con buchi più vicini nel semiconduttore di tipo p. Poiché i legami covalenti si rompono, si creerà un certo numero di buchi nel materiale di tipo n vicino alla superficie di contatto. Pertanto, vicino alla zona di contatto, i buchi nel materiale di tipo p scompaiono a causa della ricombinazione, mentre i buchi compaiono nel materiale di tipo n vicino alla stessa zona di contatto. Questo è equivalente alla migrazione di buchi dal materiale di tipo p al materiale di tipo n. Quindi, non appena un semiconduttore di tipo n e un semiconduttore di tipo p entrano in contatto, gli elettroni dal semiconduttore di tipo n si trasferiranno al semiconduttore di tipo p e i buchi dal semiconduttore di tipo p si trasferiranno al semiconduttore di tipo n. Il processo è molto veloce ma non continua per sempre. Dopo alcuni istanti, ci sarà uno strato di carica negativa (eccesso di elettroni) nel semiconduttore di tipo p adiacente al contatto lungo la superficie di contatto. Analogamente, ci sarà uno strato di carica positiva (ioni positivi) nel semiconduttore di tipo n adiacente al contatto lungo la superficie di contatto. Lo spessore di questi strati di carica negativa e positiva aumenta fino a un certo punto, ma dopo di che, nessun elettrone migrerà più dal semiconduttore di tipo n al semiconduttore di tipo p. Questo perché, mentre qualsiasi elettrone del semiconduttore di tipo n cerca di migrare sul semiconduttore di tipo p, affronta uno strato sufficientemente spesso di ioni positivi nel semiconduttore di tipo n stesso, dove cadono senza attraversarlo. Analogamente, i buchi non migreranno più verso il semiconduttore di tipo n dal semiconduttore di tipo p. I buchi, quando cercano di attraversare lo strato negativo nel semiconduttore di tipo p, si ricombinano con gli elettroni e non si muoveranno più verso la regione di tipo n.
In altre parole, lo strato di carica negativa sul lato p e lo strato di carica positiva sul lato n formano insieme una barriera che oppone la migrazione dei portatori di carica da un lato all'altro. Analogamente, i buchi nella regione p sono trattenuti dal passare alla regione n. A causa dello strato di carica positiva e negativa, ci sarà un campo elettrico attraverso la regione e questa regione è chiamata strato di esaurimento.
Ora, consideriamo il cristallo di silicio. Quando un raggio luminoso colpisce il cristallo, una parte della luce viene assorbita dal cristallo, e di conseguenza, alcuni elettroni di valenza vengono eccitati e vengono fuori dal legame covalente, risultando in coppie elettrone-buco libere.
Se la luce colpisce un semiconduttore di tipo n, gli elettroni da queste coppie elettrone-buco generate dalla luce non riescono a migrare verso la regione p poiché non riescono a superare la barriera di potenziale a causa della repulsione del campo elettrico attraverso lo strato di esaurimento. Allo stesso tempo, i buchi generati dalla luce attraversano la regione di esaurimento a causa dell'attrazione del campo elettrico dello strato di esaurimento, dove si ricombinano con gli elettroni, e poi la mancanza di elettroni qui viene compensata dagli elettroni di valenza della regione p, e questo crea tanti buchi nella regione p. Pertanto, i buchi generati dalla luce vengono spostati nella regione p, dove vengono intrappolati poiché, una volta arrivati nella regione p, non possono tornare alla regione n a causa della repulsione della barriera di potenziale.
Poiché la carica negativa (elettroni generati dalla luce) è intrappolata su un lato e la carica positiva (buchi generati dalla luce) è intrappolata sull'altro lato della cella, ci sarà una differenza di potenziale tra questi due lati della cella. Questa differenza di potenziale è tipicamente di 0,5 V. È così che le celle fotoelettriche o celle solari producono una differenza di potenziale.
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